Термоядерный реактор может изменить мир навсегда

Глубоко в секретных лабораториях Skunk Workds группа ученых Lockheed Martin работает над концептом ядерной энергетики, у которого, по их мнению, есть потенциал утолить ненасытную жажду энергии в нашем мире. Устройство под названием компактный реактор термоядерного синтеза (CFR) должно быть безопаснее, чище и мощнее, чем современные крупные ядерные системы, которые полагаются на деление, процесс расщепления атомов с высвобождением энергии.

Важно отметить, что «компактность» концепта Lockheed означает, что он будет достаточно мал и практичен для повсеместного применения — от межпланетных кораблей и коммерческих судов до оснащения городов энергетическими блоками. Он даже может возродить концепцию больших самолетов на ядерной энергии, которым практически не придется заправляться — от этой идеи отказались еще 50 лет назад из-за опасностей и сложностей, связанных с реакторами ядерного деления.

Тем не менее идея термоядерного синтеза, в процессе которого атомы объединяются в более стабильные формы и высвобождают энергию, не нова. Еще в 1920 годы, когда было высказано предположение, что синтез питает звезды, ученые начали пытаться разработать рабочие формы использования этой энергии. Другие исследовательские институты, лаборатории и компании по всему миру тоже вынашивают идеи термоядерного синтеза, но ни одна из них не выходила дальше экспериментального состояния. В позапрошлом году Lockheed объявила о прорыве в сфере термоядерного синтеза, а в конце прошлого года — обнародовала детали проекта с целью привлечения партнеров, ресурсов и дополнительных исследователей.

Первым устройство в качестве эксклюзива заполучило издание Aviation Week. Экспериментальная модель Skunk Works под названием Revolutionary Technology Programs создана Томасом Макгиром, авиационным инженером, в рамках эксперимента T4. Для удобства просто назовем модель RTP. Подключенный к датчикам, инжекторам, турбонасосу, создающему внутренний вакуум, а также большому массиву батарей, стальной контейнер, похоже, должен стать первым возможным шагом в направлении решения головоломки, над которой бьются физики-ядерщики.

«Я изучал ее в аспирантуре, в ходе исследования NASA, и загорелся идеей: как быстрее добраться до Марса, — говорит Макгир, получивший степень доктора наук в Массачусетском технологическом институте. Чтение литературы на тему концепций двигателей на основе термоядерного синтеза лишь вызвало разочарование. — Так я вышел на этот путь, и в начале 2000-х я начал просматривать все идеи, которые были опубликованы. В основном я их брал и постепенно перемалывал, выделяя плюсы и минусы, подменяя одни стороны на другие. В итоге в Lockheed получилось что-то совершенно новое, над чем мы сейчас и работаем».

Чтобы понять прорыв концепции Lockheed, нужно знать, как работает синтез и как методы управления реакцией влияют на количество произведенной энергии и масштаб реактора. Топливо для синтеза, состоящее из изотопов водорода — дейтерия и трития — в виде газа впрыскивается в вакуумную камеру. Затем добавляется энергия, обычно радиочастотный нагрев, и газ разбивается на ионы и электроны, образуя плазму.

Сверхгорячая плазма управляется сильными магнитными полями, которые не позволяют ей касаться стенок сосуда, и если конфайнмент («удержание цвета» в физике элементарных частиц) успешно ограничивается, ионы преодолевают взаимное отталкивание, сталкиваются и сливаются. В этом процессе создается гелий-4, освобождая нейтроны, которые переносят кинетическую энергию через ограничивающие магнитные поля. Эти нейтроны нагревают стенки реактора, которые с помощью обычных теплообменников впоследствии приводят в движение турбинные генераторы.

До сих пор большинство систем термоядерного синтеза использовали устройство для управления плазмой под названием «токамак», изобретенный в 1950-х года физиками Советского Союза. Токамак использует магнитное поле для удержания плазмы в форме тора, или кольца, и поддерживает реакцию индукции тока в самой плазме с помощью второго набора электромагнитов. Проблема такого подхода в том, что вырабатывается энергия почти в таком же количестве, которое необходимо для самоподдерживающейся реакции синтеза.

Усовершенствованная версия термоядерного реактора, Международный термоядерный экспериментальный реактор (ITER, ИТЭР), строится в Кадараше, Франция, и должна будет вырабатывать 500 МВт. Тем не менее плазма не будет генерироваться до конца 2020-х годов, а энергия выработки едва ли будет мощной до конца 2040-х годов.

Проблема токамаков в том, что «они могут удержать только определенное количество плазмы, и мы называем это бета-пределом», говорит Макгир. Измеряемый как отношение давления плазмы к давлению магнитного поля, бета-предел среднестатистического токамака довольно низкий, или порядка «5% или около того от ограничивающего давления». Сравнивая тор с велосипедной шиной, Макгир добавляет: «Если они сильно ее накачают, шина в конечном счете взорвется — поэтому, в целях соблюдения безопасности, им нельзя подходить близко к этому пределу». Помимо этого, физика токамака диктует огромные размеры и высокую стоимость. ИТЭР обойдется приблизительно в 50 миллиардов долларов и по завершении будет 30 метров в высоту и весом в 23 000 тонн.

CFR сможет обойти эти проблемы, подойдя к конфайнменту плазмы принципиально по-другому. Вместо того чтобы ограничивать плазму внутри трубчатых колец, серия сверхпроводящих катушек будет генерировать геометрически новое магнитное поле, в котором плазма будет удерживаться в более широких рамках по всей камере.

«Таким образом, вместо того чтобы расширять велосипедную шину в воздух, у нас будет что-то вроде трубы, которая наращивает стенки, — говорит Макгир. Система будет своего рода саморегулироваться, используя механизм самоотдачи, чем дальше выходит плазма, тем сильнее магнитное поле будет заталкивать ее обратно, чтобы удержать. CFR, как ожидается, будет обладать бета-пределом, равным одному. — Мы хотим дойти до 100% или больше».

Это важное различие подразумевает, что при таких же размерах CFR будет производить больше энергии, чем токамак, с коэффициентом 10. Это же означает, что при той же выходной мощности CFR может быть в 10 раз меньше. Изменение масштаба очень многое значит с точки зрения производительности и стоимости, объясняет Макгин. «Одна из причин, по которой мы думаем о дальнейшем развитии и экономике концепции, это то, что она будет в десять раз меньше. С точки зрения физики она будет работать и будет намного стабильней». Одна из причин стабильности заключается в размещении сверхпроводящих катушек и форме линий магнитного поля. «В нашем случае всегда будет баланс. Если давление будет меньше, плазма тоже будет меньше и всегда поместится в магнитном поле».

В целом, по словам Макгира, конструкция Lockheed «берет лучшее от многих конструкций». Она включает высокую бета-конфигурацию, использование линий магнитного поля в форме линейного кольца для удержания плазмы и «инженерную простоту осесимметричного зеркала». «Осесимметричное зеркало» создается путем размещения зон магнитного поля на каждом конце камеры, так что они будут отражать значительную часть частиц плазмы, вылетающих вдоль оси CFR.

«Также у нас есть рециркуляция, очень похожая на концепцию Polywell», — добавляет Макгир, ссылаясь на другой перспективный проект термоядерного реактора. Реактор Polywell использует электромагниты для генерации магнитного поля, которое улавливает электроны, создавая отрицательное напряжение, которое затем притягивает положительные ионы. Ускорение ионов по направлению к отрицательному центру приводит к столкновению и синтезу.

Команда признает, что проект находится в ранней стадии развития, и остается много ключевых проблем, прежде чем он станет жизнеспособным. Но Макгир ожидает быстрого прогресса. Настроение в Skunk Works и «темп, в котором работают люди, очень быстрый». «Мы хотели бы заполучить прототип в пять поколений. Если мы сможем выполнить каждый план, поставленный на каждый грядущий год, то через пять лет он будет готов. Мы уже показали, на что способны, в лаборатории». Прототип демонстрирует условия зажигания и работы в течение 10 секунд в стабильном состоянии после активации инжекторов, которые зажигают плазму. «Это демонстрирует работу физики, а не прототипа в полную силу».

Первая рабочая версия может появиться уже через пять лет. На нее будет затрачено много усилий, говорит Макгир, имея в виду, что переход к полномасштабному производству обязательно потребует привлечения специалистов по материалам и теплопередаче, а также создателей газовых турбин. Первые реакторы будут производить порядка 100 МВт и умещаться в транспортабельных узлах 7 на 15 метров. «Мы думаем как раз о таких размерах. Вы можете разместить его на небольшом трейлере, подобно небольшой газовой турбине, перевезти на платформе, работать по несколько недель», — говорит Макгир. Идея концепта в том, чтобы адаптировать CFR к существующей инфраструктуре и с легкостью вписать его в современную сеть. 100-мегаваттный реактор мог бы обеспечить энергией 80 000 домов, и этого было бы достаточно, чтобы запустить корабль.

По оценкам Lockheed, для года работы потребуется меньше 25 килограммов топлива. Само топливо — тоже в изобилии. Дейтерий получают из морской воды, он, следовательно, не ограничен, а тритий «выводят» из лития. «Мы уже добыли достаточно лития, чтобы оснастить всемирный флот реакторов, и это отчасти влияет на безопасность. Тритий мог бы представлять угрозу для здоровья, если бы произошла крупная утечка трития, но в небольших количествах он безвреден. Вам нужно не так много, чтобы запустить реактор, потому что реакция синтеза в миллион раз мощнее химической реакции».

Хотя реакторы первого поколения будут обладать радиоактивными частями к концу срока эксплуатации вроде некоторых стальных элементов в оболочке, Макгир говорит, что ситуация с загрязнением будет «на порядок лучше, чем у современной системы ядерного деления». Не будет долгоживущей радиации. Материалы реакторов будут практически вечными, но синтез может продолжаться и в течение 100 лет. К тому же уровень загрязнения будет падать с каждой новой итерацией и дополнительным исследованием материалов. Впрочем, пока не будет хорошей системы синтеза, не будет денег на мощные исследования. Поэтому Макгир надеется, что первое поколение реакторов будет достаточно хорошим, чтобы привлечь внимание. Старые стальные оболочки CFR можно будет утилизировать простым захоронением в пустыне, подобно тому, как поступают с медицинскими отходами. Но это будет разительно отличаться от ядерных отходов, с которыми мы имеем дело сегодня.

Операционные преимущества такого реактора включают отсутствие рисков возгорания или утечки. «В реакторе минимальное количество радиоактивного трития — измеряется в граммах — поэтому потенциальная утечка будет минимальной. Кроме того, нет никаких рисков распространения радиоактивного топлива. Тритий используется в ядерном оружии, но в значительно больших объемах.

Предварительные расчеты и экспериментальные результаты «были очень перспективными и положительными», говорит Макгир. Однако «нам нужна помощь, и мы хотели бы увидеть других людей вовлеченными в наше предприятие. Это глобальное предприятие, и мы рады возглавить его».